CN107612603A - 无线通信网络中用于前导码的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于传输帧的方法包括生成所述帧的全向部分，所述全向部分包括未进行波束成形的长训练字段和信号字段，所述未进行波束成形的长训练字段包括用于对所述信号字段进行解码的信道估计信息，所述未进行波束成形的长训练字段配置为将通过多个天线和多个流中的一个传输。所述方法还包括生成所述帧的多流部分，所述多流部分包括数据字段和多流长训练字段，所述多流长训练字段包括所述数据字段中的通信台特定数据的通信台特定解码信息。所述方法进一步包括将波束成形指示符应用到所述全向部分的所述信号字段，并传输所述帧。

Description

无线通信网络中用于前导码的系统和方法
技术领域
本发明大体涉及数字通信，尤其涉及一种无线通信网络中用于前导码的系统和方法。
背景技术
IEEE802.11是用于实施无线局域网(WLAN)的标准集。在IEEE802.11物理(PHY)层帧格式中，前导码部分通常由三个字段组成：短训练字段(STF)、长训练字段(LTF)和信号字段(SIG)。STF用于粗同步、自动增益控制(AGC)等。LTF用于信道估计、精细同步等。SIG用于指示帧信息，例如速率、长度等。随着IEEE802.11 WLAN技术的发展，其自身网络环境需要IEEE802.11ah的前导码设计。
发明内容
本发明的示例实施例提供一种无线通信网络中用于前导码的系统和方法。
根据本发明的示例实施例，提供一种用于传输帧的方法。所述方法包括接入点生成所述帧的全向部分(omni portion)，所述全向部分包括未进行波束成形的长训练字段和信号字段，所述未进行波束成形的长训练字段包括用于对所述信号字段进行解码的信道估计信息，所述未进行波束成形的长训练字段配置为将通过多个天线和多个流中的一个进行传输。所述方法还包括所述接入点生成所述帧的多流部分(multi-stream portion)，所述多流部分包括数据字段和多流长训练字段，所述多流长训练字段包括所述数据字段中的通信台特定数据的通信台特定解码信息。所述方法进一步包括所述接入点将波束成形指示符应用到所述全向部分的所述信号字段，以及所述接入点传输所述帧。
根据本发明的另一示例实施例，提供一种用于接收帧的方法。所述方法包括通信台接收所述帧的全向部分，所述全向部分包括未进行波束成形的长训练字段和信号字段，所述未进行波束成形的长训练字段包括用于对所述信号字段进行解码的信道估计信息。所述方法还包括所述通信台确定所述帧的多流部分的波束成形状态，以及所述通信台接收所述帧的所述多流部分，所述多流部分包括多流长训练字段和数据字段，所述多流长训练字段包括所述数据字段中的通信台特定数据的通信台特定解码信息。所述方法进一步包括所述通信台使用与所述帧的所述多流部分的所述波束成形状态匹配的技术对所述帧的所述多流部分进行解码。
根据本发明的另一示例实施例，提供一种传输设备。所述传输设备包括处理器以及可操作地耦合到所述处理器的发射器。所述处理器生成帧的全向部分，所述全向部分包括未进行波束成形的长训练字段和信号字段，所述未进行波束成形的长训练字段包括用于对所述信号字段进行解码的信道估计信息，所述未进行波束成形的长训练字段将通过多个天线和多个流中的一个进行传输。所述处理器生成所述帧的多流部分(multi-streamportion)，所述多流部分包括数据字段和多流长训练字段，所述多流长训练字段包括所述数据字段中的通信台特定数据的通信台特定解码信息，以及将波束成形指示符应用到所述全向部分的所述信号字段。所述发射器传输所述帧。
根据本发明的另一示例实施例，提供一种接收设备。所述接收设备包括接收器，以及可操作地耦合到所述接收器的处理器。所述接收器接收帧的全向部分，所述全向部分包括未进行波束成形的长训练字段和信号字段，所述未进行波束成形的长训练字段包括用于对所述信号字段进行解码的信道估计信息；以及接收所述帧的多流部分，所述多流部分包括多流长训练字段和数据字段，所述多流长训练字段包括所述数据字段中的通信台特定数据的通信台特定解码信息。所述处理器确定所述帧的所述多流部分的波束成形状态，以及使用与所述帧的所述多流部分的所述波束成形状态匹配的技术对所述帧的所述多流部分进行解码。
实施例的一个优点在于所述前导码在支持波束成形和/或非波束成形的同时允许非目标通信台(例如，非预期接收者)对至少一部分所述前导码进行解码。非目标通信台解码一部分所述前导码的能力可有助于提高所述非目标通信台和整个无线通信网络的整体性能。
实施例的又一优点在于所述前导码的源能够使用波束成形向目标通信台(例如，预期接收者)进行传输以提高传输性能。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中：
图1示出了根据本文所述的示例实施例的示例通信网络；
图2a和图2b示出了根据本文所述的示例实施例的示例PHY帧；
图3a和3b示出了根据本文所述的示例实施例的示例PHY帧，其中PHY帧分成多个部分；
图4a和4b示出了根据本文所述的示例实施例的示例PHY帧，其中PHY帧包括波束成形指示符；
图5a和5b分别示出了根据本文所述的示例实施例的BPSK和QBPSK的示例星座图；
图6示出了根据本文所述的示例实施例的传输PHY帧过程中的操作的示例流程图；
图7示出了根据本文所述的示例实施例的接收PHY帧过程中的操作的示例流程图；
图8示出了根据本文所述的示例实施例的第一通信设备的示例图；以及
图9示出了根据本文所述的示例实施例的第二通信设备的示例图。
具体实施方式
下文将详细讨论对当前示例实施例及其结构的操作。但应了解，本发明提供了可以在多种具体环境中实施的许多适用的发明概念。所论述的具体实施例仅仅说明本发明的具体结构以及用于操作本发明的具体方式，而不应限制本发明的范围。
本发明的一项实施例涉及前导码。例如，在传输设备处，传输设备生成帧的全向部分，全向部分包括未进行波束成形的长训练字段和信号字段，未进行波束成形的长训练字段包括用于对信号字段进行解码的信道估计信息，未进行波束成形的长训练字段配置为将通过多个天线和多个流中的一个进行传输。传输设备还生成帧的多流部分，多流部分包括数据字段和多流长训练字段，多流长训练字段包括数据字段中的通信台特定数据的通信台特定解码信息。传输设备进一步将波束成形指示符应用到全向部分的信号字段，并传输帧。又例如，在接收设备处，接收设备接收帧的全向部分，全向部分包括位于信号字段之前的未进行波束成形的长训练字段，所述未进行波束成形的长训练字段包括用于对信号字段进行解码的信道估计信息。接收设备接收帧的多流部分，多流部分包括多流长训练字段和数据字段，多流长训练字段包括数据字段中的通信台特定数据的通信台特定解码信息。接收设备还确定帧的多流部分的波束成形状态(例如，已进行波束成形或未进行波束成形)，以及使用与帧的多流部分的波束成形状态匹配的技术对帧的多流部分进行解码。
将结合特定背景中的示例实施例来描述本发明，该特定背景是指支持波束成形的符合IEEE802.11ah的无线通信网络。然而，本发明还可应用于支持已进行波束成形和未进行波束成形的传输的其他符合标准和不符合标准的通信系统。
图1示出了通信网络100。通信网络100可以符合IEEE802.11ah。通信网络100包括接入点105，其服务多个通信台，例如通信台110至132。多个通信台可包括通信设备(例如，蜂窝电话、智能电话、个人数字助理等)、电脑(PC、笔记本电脑、平板电脑、打印机、扫描仪等)、媒体设备(电视、音乐播放器、视频显示器、媒体分发中心等)以及传感器设备(气象传感器、火灾传感器、医用传感器、自动传感器、安全传感器等)。
在单用户场景中，接入点105可向单个通信台(例如，目标通信台)进行传输。然而，由接入点105服务的其它通信台(例如，非目标通信台)还可接收传输并尝试解码至少一部分传输。解码并非预期发送到非目标通信台的传输的过程中，由非目标通信台确定的信息可有助于提高通信网络100的整体性能。
由接入点105服务的一些通信台(例如，通信设备和计算机)具有相对较高的数据要求而其它通信台(例如，传感器设备)可能具有较低的数据要求。具有高数据要求的通信台可受益于波束成形、多天线技术等高级传输技术。具有低数据要求的通信台不会受益于此类高级传输技术。此外，许多具有低数据要求的通信台还是功率限定的且涉及高级传输技术的典型处理要求可能会严重地超过这些设备的功耗限制并降低它们的电池寿命。
在IEEE802.11 WLAN中，前导码被添加到IEEE802.11 WLAN物理层的信号帧中。前导码由短训练字段(STF)、长训练字段(LTF)和信号(SIG)字段组成，这提供了同步、信道估计功能，且包含帧的速率和长度信息。IEEE802.11 WLAN随着多天线技术的发展，这些前导码格式相应地改变。波束成形引导矩阵还可应用于前导码以及数据字段。然而，在IEEE802.11网络中运行的所有通信台需要SIG字段中的一些信息，这使得对前导码进行波束成形变得更难，因为不是传输的预期接收者的通信台对传输进行解码可能比较困难。
图2a示出了第一物理层(PHY)帧200。PHY帧200可用于单用户、2MHz或更大带宽的场景中。PHY帧200包括前导码205和数据区域210。前导码205包括STF215，包括双重保护间隔(DGI)219的第一LTF(LTF1)217、第一长训练序列(LTS)221和第二LTS223。PHY帧200还包括SIG字段225和N–1个LTF(LTF2至LTFN)227-229，其中N为空间流的数目。空间映射用在PHY帧200的LTF中。LTF1 217可为两个符号长且位于SIG字段225之前。LTF2至LTFN 227-229中的每个均为一个符号且位于SIG字段225之后。
一般而言，空间映射有四类：直接映射、间接映射、空间扩展和波束成形。LTF1 217和LTF2至LTFN 227-229可使用单空间映射方法。因此，如图2a所示，PHY帧200的LTF可能进行或未进行波束成形。应注意，如果LTE1 217已进行波束成形，非目标通信台可能无法解码SIG字段225。然而，所有通信台(不仅仅是目标通信台)可能需要PHY帧200的一些内容。图2b示出了第二PHY帧250。PHY帧250可能类似于具有第二SIG字段(SIGB)265的PHY帧200。正如PHY帧200，PHY帧250可能进行或未进行波束成形。
PHY帧可被分为多个部分，第一部分为易于被所有通信台解码的未进行波束成形的部分，第二部分能够根据目标通信台的性能要求和/或能力进行波束成形或不进行波束成形。第一和未进行波束成形的部分可包含所有通信台可用的信息，而第二和可能已进行波束成形的部分可包含预期发往目标通信台的信息。
图3a示出了第三PHY帧300，其中PHY帧300分为多个部分。PHY帧300包括未进行波束成形且可被所有通信台解码的全向部分305，多流部分310可能进行或未进行波束成形。如果未进行波束成形，多流部分310可以被所有通信台解码。如果进行波束成形，多流部分310可能很难被目标通信台以外的通信台解码。应注意，多流部分310可包括PHY帧300的数据部分315。
全向部分305可包括STF320、LTF322和第一SIG字段(SIGA)324。由于全向305未进行波束成形，所有通信台可以对其进行解码，且LTF322可有助于解码SIGA324。多流部分310可包括其自身的STF(AH-STF)326、N个LTF(AH-LTF1至AH-LTFN)328-330和第二SIG字段(SIGB)332。多流部分310的内容可能预期给目标通信台独占使用。目标通信台可使用AH-LTF1至AH-LTFN 328-330以帮助解码SIGB332和/或数据部分315。
图3b示出了第四PHY帧350，其中PHY帧350分为多个部分。PHY帧350包括未进行波束成形且可被所有通信台解码的全向部分355，可能进行或未进行波束成形的多流部分360。应注意，多流部分360可包括PHY帧350的数据部分365。
全向部分355可包括STF370、LTF(LTF0)372和SIG字段(SIGA)374。由于全向部分355未进行波束成形，所有通信台可以对其进行解码，且LTF372可有助于解码SIGA374。多流部分360可包括N个LTF(LTF1至LTFN)376-378。多流部分360的内容可能预期给目标通信台独占使用。目标通信台可使用LTF1至LTFN 376-378以帮助解码数据部分365。
应注意，由于多流部分(例如，多流部分310和/或多流部分360)可能进行或可能未进行波束成形，目标通信台可能需要知道多流部分的波束成形状态。波束成形指示符可用于指示多流部分的波束成形状态。
根据示例实施例，位于PHY帧的全向部分的SIG字段中的波束成形指示符可用于指示PHY帧的多流部分的波束成形状态。例如，SIG字段的一位或多位可用作波束成形指示符。例如，可以将位于SIG字段中的波束成形指示符设置为第一值(例如，1)以指示多流部分已进行波束成形。例如，可以将位于SIG字段中的波束成形指示符设置为第二值(例如，0)以指示多流部分未进行波束成形。图4a示出了PHY帧400，其中将SIG字段405的波束成形指示符410设置为第一值，指示PHY帧400的多流部分已进行波束成形。图4b示出了PHY帧450，其中将SIG字段455的波束成形指示符460设置为第二值，指示PHY帧450的多流部分未进行波束成形。
作为说明性示例，在符合IEEE802.11ah的通信系统中，如果将波束成形指示符设置为1，那么Q矩阵被改变；然而如果波束成形指示符设置为0，那么Q矩阵未被改变。应注意，可以预留这些值。
根据另一示例实施例，信号强度可用于指示PHY帧的多流部分的波束成形状态。强度检测可用于检测不同轴处的信号强度以检测波束成形指示符的值。例如，可以在SIG字段或部分SIG字段中采用二进制相移键控(BPSK)或正交二进制相移键控(QBPSK)调制以指示波束成形指示符的值。例如，BPSK可用于指示多流部分已进行波束成形，QBPSK可用于指示多流部分未进行波束成形。
图5a和5b分别示出了BPSK和QBPSK的星座图。强度检测可以使用不同轴处的信号强度来检测波束成形指示符。应注意，I和/或Q轴用作说明性示例。假设|EI|2和|EQ|2分别为I和Q轴的信号强度，其中E为表示接收信号的信号强度的复数，EI和EQ分别为E的实部和虚部。对于不同调制而言，可能存在的不同强度分布。对于BPSK，|EI|2为正数且|EQ|2为零。对于QBPSK，|EI|2为零且|EQ|2为正数。作为使用强度检测指示多流部分的波束成形状态，考虑以下信息：假设BPSK用于SIG字段或一部分SIG字段以指示波束成形的多流部分，以及QBPSK用于SIG字段或一部分SIG字段以指示未进行波束成形的多流部分。应注意，也可以使用相反指示。目标通信台接收SIG字段之后，其可以通过|EI|2-|EQ|2等标准推断调制类型。如果|EI|2-|EQ|2＞0，这意味着BPSK用于SIG字段或一部分SIG字段中且多流部分已进行波束成形。如果|EI|2-|EQ|2＜0，这意味着QBPSK用于SIG字段或一部分SIG字段中且多流部分未进行波束成形。高级调制等其它调制技术和/或不同标准还可用于强度检测中。
表1示出了性能比较图，其中HT-MM为IEEE802.11n混合模式前导码，Q为波束成形引导矩阵，D为循环时延分集(CDD)以及P为正交映射矩阵。
表1：性能比较图
图6示出了传输PHY帧过程中的操作600的流程图。当接入点将PHY帧传输到目标通信台时，操作600可表示发生在传输设备(例如，接入点105等接入点)中的操作。PHY帧包括多个部分，具有未进行波束成形的且可被所有通信台解码的全向部分，和预期用于目标通信台的可能进行或可能未进行波束成形的多流部分。
操作600可开始于接入点生成PHY帧的全向部分(方框605)。PHY帧的全向部分可包括未进行波束成形的LTF和SIG字段，未进行波束成形的LTF包括用于解码信号字段的信道估计信息。未进行波束成形的LTF可在单个空间时间流上传输。
接入点可生成PHY帧的多流部分(方框610)。多流部分可包括多流LTF和数据字段且预期用于目标通信台。多流LTF可包含供目标通信台使用的通信台特定解码信息。多流部分可能或可能未进行波束成形。
接入点可将波束成形指示符应用到PHY帧的全向部分的SIG字段(方框615)。根据示例实施例，应用波束成形指示符可包括将PHY帧的全向部分的SIG字段中的一位或多位设置为与PHY帧的多流部分的波束成形状态对应的值。例如，如果多流部分已进行波束成形，可将位(多位)设置为第一值；如果多流部分未进行波束成形，可将位(多位)设置为第二值。根据另一示例实施例，应用波束成形指示符可包括将与PHY帧的多流部分的波束成形状态匹配的调制技术应用到SIG字段或一部分SIG字段。例如，如果多流部分已进行波束成形，可将BPSK调制技术应用到SIG字段或其一部分；如果多流部分未进行波束成形，可将QBPSK调制技术应用到SIG字段或其一部分。可传输PHY帧(方框620)。
图7示出了接收PHY帧过程中的操作700的流程图。当通信台从接入点接收PHY帧时，操作700可表示发生在接收设备(例如，目标通信台等通信台)中的操作。PHY帧包括多个部分，具有未进行波束成形的且可被所有通信台解码的全向部分，和预期发往目标通信台的可能进行或可能未进行波束成形的多流部分。
操作700可开始于通信台接收PHY帧的全向部分(方框705)。由于全向部分未进行波束成形，通信台可能能够对PHY帧的全向部分进行解码(方框710)。通信台可使用PHY帧的全向部分中的LTF以帮助其解码SIG字段。通信台可执行检查以确定其是否为全向部分(以及后续多流部分)的目标通信台(方框715)。如果通信台不是目标通信台，那么通信台停止解码PHY帧的全向部分。
如果通信台为目标通信台，那么通信台可执行检查以确定多流部分是否已进行波束成形，即通信台确定PHY帧的多流部分的波束成形状态(方框720)。如上文所述，通信台可通过检查波束成形指示符确定多流部分的波束成形状态。波束成形指示符可以是全向部分的SIG字段中的一位或多位的形式。波束成形指示符可以是用于SIG字段或一部分SIG字段的调制技术的形式。
如果多流部分未进行波束成形，那么通信台可接收未进行波束成形的多流部分(方框725)并对未进行波束成形的多流部分进行解码(方框730)。如果多流部分已进行波束成形，那么通信台可接收已进行波束成形的多流部分(方框735)并对已进行波束成形的多流部分进行解码(方框740)。
图8示出了第一通信设备800。通信设备800可为通信系统的接入点(或更为普遍地，传输设备)的一项实施方案。通信设备800可用于实施本文所论述的各种实施例。如图8所示，发射器805用于发送消息等，而接收器810用于接收消息等。发射器805和接收器810可具有无线接口、有线接口或其组合。
帧生成单元820用于生成PHY帧，所述PHY帧包括全向部分和多流部分。全向部分包括多流部分的波束成形状态的波束成形指示符。帧应用单元822用于将波束成形指示符应用到全向部分。帧应用单元822可设置全向部分中SIG字段中的一位或多位以指示多流部分的波束成形状态或将与多流部分的波束成形状态匹配的调制技术应用到SIG字段或其一部分。存储器830用于存储PHY帧、波束成形状态、波束成形指示符等。
通信设备800的元件可实施为特定的硬件逻辑块。在替代性实施例中，通信设备800的元件可实施为在处理器、控制器、专用集成电路等中执行的软件。在又一替代性实施例中，通信设备800的元件可实施为软件和/或硬件的组合。
例如，发射器805和接收器810可实施为专用硬件块，而帧生成单元820和帧应用单元822可以是在处理器815(例如微处理器、数字信号处理器、定制电路、或者现场可编程逻辑阵列的定制编译逻辑阵列)中执行的软件模块。此外，帧生成单元820和帧应用单元822可以是存储器830中存储的软件模块。
图9示出了第二通信设备900的图。通信设备900可为通信系统的通信台(或更为普遍地，接收设备)的一项实施方案。通信设备900可用于实施本文所论述的各种实施例。如图9所示，发射器905用于发送消息等，而接收器910用于接收消息等。发射器905和接收器910可具有无线接口、有线接口或其组合。
帧解码单元920用于对帧或一部分帧进行解码。接收者确定单元922用于确定是否由通信设备900待确定其是否为帧的目标通信台。波束成形确定单元924用于确定帧是否已波束成形，即确定帧的波束成形状态。波束成形确定单元924通过检查波束成形指示符确定波束成形状态，波束成形指示符可以为帧的一位或多位形式或用于调制字段或部分字段的调制技术。存储器930用于存储帧、波束成形状态、波束成形指示符等。
通信设备900的元件可实施为特定的硬件逻辑块。在替代性实施例中，通信设备900的元件可实施为在处理器、控制器、专用集成电路等中执行的软件。在又一替代性实施例中，通信设备900的元件可实施为软件和/或硬件的组合。
例如，发射器905和接收器910可实施为专用硬件块，而帧解码单元920、接收者确定单元922和波束成形确定单元924可以是在处理器915(例如微处理器、数字信号处理器、定制电路或者现场可编程逻辑阵列的定制编译逻辑阵列)中执行的软件模块。此外，帧解码单元920、接收者确定单元922和波束成形确定单元924可以是存储器930中存储的软件模块。
尽管已详细描述本发明及其优点，但应理解，在不脱离所附权利要求书界定的本发明的精神和范围的情况下，可在本文中进行各种改变、替代和更改。

Claims (10)

1.一种发送帧的方法，其特征在于，所述方法包括：
生成物理PHY帧，所述PHY帧包括波束成形指示符，其中，所述波束成形指示符用于指示Q矩阵是否被改变；
发送所述PHY帧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述Q矩阵是否被改变包括：
所述PHY帧中位于所述波束成形指示符所在字段之后的部分的Q矩阵，相对于所述波束成形指示符所在字段之前的部分的Q矩阵是否不同。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
所述波束成形指示设置为1指示所述Q矩阵被改变；
所述波束成形指示设置为0指示所述Q矩阵未被改变。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，
所述波束成形指示符位于所述PHY帧的SIG字段中。
5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，
所述波束成形指示符位于所述PHY帧的短训练序列STF或长训练序列LTF之后。
6.一种发送帧的装置，其特征在于，所述装置包括：
生成物理PHY帧的模块，所述PHY帧包括波束成形指示符，其中，所述波束成形指示符用于指示Q矩阵是否被改变；
发送所述PHY帧的模块。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述Q矩阵是否被改变包括：
所述PHY帧中位于所述波束成形指示符所在字段之后的部分的Q矩阵，相对于所述波束成形指示符所在字段之前的部分的Q矩阵是否不同。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，
所述波束成形指示设置为1指示所述Q矩阵被改变；
所述波束成形指示设置为0指示所述Q矩阵未被改变。
9.根据权利要求6-8任一项所述的装置，其特征在于，
所述波束成形指示符位于所述PHY帧的SIG字段中。
10.根据权利要求6-8任一项所述的装置，其特征在于，
所述波束成形指示符位于所述PHY帧的短训练序列STF或长训练序列LTF之后。
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